Software: SimX - Nadelantrieb - Wirkprinzip - Federvorspannung

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Experiment: Einfluss der Federvorspannung

Frage 1: Bestwert ohne Federvorspannung

Die bisherige Optimierung sollte ohne Vorspannung der Rückholfeder vorgenommen werden. In Abhängigkeit von Geometrie.L_Faktor=1.xx (mit Teilnehmer-Nummer xx=01..99) erhält man eine optimale Lösung für den schnellsten Antrieb. Gesucht sind die Werte des numerischen Bestwertes für:

• Zykluszeit
• Ruheposition der Nadelspitze
• Ankerdurchmesser
• Elastizitätskonstante der Rückholfeder
• Einschaltzeit des Magneten

Frage 2: Bestwert mit Federvorspannung

• Wichtig: Hierfür sind Änderungen im SimulationX-Modell erforderlich.
  • Dafür beenden wir zuerst das OptiY (mit Speichern der aktuellen Konfiguration).
  • Danach beenden wir das SimulationX (ohne Speichern des aktuellen Zustandes, welcher im Rahmen der Optimierung erzeugt wurde).

Die Vorspannung im SimulationX-Modell muss so gewählt werden, dass zumindest die Gewichtskraft von Anker und Nadel kompensiert werden. Das entspricht einer Beschleunigung von 1 g (=Erdbeschleunigung). Um eine gewisse Sicherheit gegen leichtere Stöße zu haben, soll die Feder so vorgespannt sein, dass trotz einer Beschleunigung von a=20 g die Nadel in der Ruhelage verbleibt:

• Die aufzubringende Vorspannkraft F hängt ab von der beschleunigten Masse m, die erst während der Optimierung aus der Magnetgeometrie ermittelt wird (F=m·a).
• Die beschleunigte Masse entspricht dem Wert von Nadel.m, da diese im Modell auch die Ankermasse enthält.
• Der notwendige Vorspannweg s0 hängt ab von der erforderlichen Vorspannkraft F und der Elastizitätskonstante Feder.k, die auch erst während der Optimierung ermittelt wird.
• Die Wegvorgabe Vorspannung.x setzen wir deshalb auf den Wert Nadel.x0+s0, wobei wir für s0 die entsprechende Berechnungsformel einsetzen. Als vordefinierte Konstante können wir für die Erdbeschleunigung gravity verwenden.
• Damit gewährleisten wir, dass die Rückholfeder in der Ruhelage immer exakt die 20-fache Gewichtskraft von Nadel und Anker kompensieren kann!

Unter diesen Bedingungen ermitteln wir erneut mit L_Faktor=1.xx die Parameter für die optimale Lösung:

• Zykluszeit
• Ruheposition der Nadelspitze
• Ankerdurchmesser
• Elastizitätskonstante der Rückholfeder
• Einschaltzeit des Magneten
• Wert des Vorspannweges s0 der Feder in µm (s0 entspricht in bei Ruhelage der Nadel dem Wert von Feder.dx, den man im Modellexplorer von SimulationX ablesen kann.)
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